課程設計（論文）基于單片機的液位模糊控制器的設計

1、目目 錄錄 摘要摘要.1 1.1.模糊控制簡介模糊控制簡介.3 1.1 模糊控制的歷史背景.3 1.2 模糊控制的基本原理.4 1.3 模糊算法的四個步驟.4 2.2.基于單片機的液位模糊控制器的設計基于單片機的液位模糊控制器的設計.5 2.1 設計的基本原理.5 2.2 設計的基本步驟.5 2.3.設計的基本內(nèi)容.6 2.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計.6 2.3.2 模糊控制規(guī)則的設計.7 2.3.3 模糊推理及其模糊量的非模糊化方法.9 2.4 模糊控制器的程序?qū)崿F(xiàn).10 2.5 程序編寫中的幾點說明.11 3.3.程序流程圖程序流程圖.12 4.4.液位控制部分液位控制部分.13 5.5

2、.設計小結(jié)設計小結(jié).13 參考文獻參考文獻.14 摘要 隨著科技的不斷進步，工業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)向大型化、精細化、現(xiàn)代化以及復雜 性發(fā)展，一般的常規(guī)控制方法已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的需求。智能型控制算法應 運而生，在眾多的算法中，模糊控制算法利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，是模 糊理論與計算機技術(shù)、自動化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于其良好的控制特性而得到 了廣泛應用。本報告對模糊控制基于單片機對液位的控制理論及其智能優(yōu)化控制 策略和方法上作出詳盡的研究，建立了一種控制系統(tǒng)。 在系統(tǒng)的構(gòu)建中，應用單片機 89c51 做為核心控制部分，采用模糊控制算法進 行控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)設定值將得到的實際位置和偏差變化率進行

3、模糊化，建立 模糊控制規(guī)則表，將優(yōu)化后的參數(shù)變化量，在模糊控制器的控制下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動控制。 通過對常規(guī)控制器、純模糊控制器和具有自整定功能的模糊控制器進行仿真對比。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：模糊控制、自動化技術(shù)、優(yōu)化控制。 abstract the abstract along with the technical unceasing progress, the industrial production process already to the large scale, the fine refinement, the modernization as well as the complex dev

4、elopment, the general convention control method already could not satisfy the actual production the demand.the intelligence control algorithm arises at the historic moment, in the multitudinous algorithms, controls the algorithm to realize humans control experience fuzzily using the computer, is pro

5、duct which the fuzzy theory and the computer technology, the automated technology unify, obtained the widespread application as a result of its good control characteristic.this report makes the exhaustive research to the fuzzy control based on the monolithic integrated circuit to the fluid position

6、control theory and in the intelligent optimization control strategy and the method, has established one kind of control system. in the system construction, does using monolithic integrated circuit 89c51 for the core control section, uses the fuzzy control algorithm to carry on the control.the contro

7、l system the physical location and the deviation rate of change which obtains according to the setting value carries on the fuzzy, establishes the fuzzy control rule table, will optimize after the parameter change quantity, will realize the rotation control in under the fuzzy controller control.thro

8、ugh to the conventional controller, the pure fuzzy controller and has the self regulating to decide the function the fuzzy controller to carry on the simulation contrast. key word: fuzzy control, automated technology, optimized control. 1.模糊控制簡介 1.1 模糊控制的歷史背景 1965 年美國自動控制理論專家 l a zadeh 首次提出了模糊集合，197

9、4 年英國 e h mamdani 首先將模糊控制應用于鍋爐和蒸汽機的自動控制。目前，模糊控制作 為 20 世紀 90 年代的高新技術(shù)，得到非常廣泛的應用，被公認為簡單而有效的 控制技術(shù)。 模糊控制技術(shù)是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術(shù)。模糊控制技術(shù)基 于模糊數(shù)學理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、 適應性和合理性提高，成為智能控制技術(shù)的一個重要分支。 在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要 關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的 系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種

10、 方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制 理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系 統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題。 模糊控制是一種以模糊數(shù)學為基礎的計算機數(shù)字控制。模糊控制系統(tǒng)的組成 內(nèi)同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)。 在現(xiàn)實世界中，隨著工業(yè)過程 h 益走向大型化、連續(xù)化、復雜化，很多系統(tǒng) 極其復雜，具有高度的非線性、強耦合性、不確定性、信息不完全性和大時滯等 特性，并存在苛刻的約束條件，使常規(guī)控制無法得到滿意的控制效果。由此，先 進的工業(yè)控制技術(shù)也就應運而生。先進控制的目標就是為了解決那些采用常規(guī)控 制效

11、果不佳甚至無法對付的復雜工業(yè)過程控制問題。先進控制的實現(xiàn)通常需要足 夠的計算能力作為支持，其主要技術(shù)內(nèi)容有：過程辨識技術(shù)；過程變量的采集、 處理和軟測量技術(shù)；先進控制算法，如傳統(tǒng)的串級、比值、前饋控制等和發(fā)展中 的魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等以及過程的故障檢測、預報、診斷和處 理。 1.2 模糊控制的基本原理 模糊控制屬于智能控制的范疇，它是以模糊數(shù)學和模糊邏輯唯理論基礎、模 仿人的思維方式而統(tǒng)籌考慮的一種控制方式。它是以模糊集合論、模糊語言變量 和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)學控制。模糊控制模仿人的思維方式。計 算控制量時并不需要參數(shù)的精確量，而是以參數(shù)的模糊信息的模糊形式，然后再

12、 經(jīng)過飯模糊化處理輸出具體的控制量。器控制方框圖如下： 1.3 模糊算法的四個步驟 1.根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量； 2.價格輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?3.根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量 （模糊） ； 4.有上述所得到的控制量（模糊量）計算精確的控制量。 傳感器被控對象執(zhí)行機構(gòu) a/dd/a計算變量模糊化模糊推理反模糊化 圖 1 模糊控制原理圖 2.基于單片機的液位模糊控制器的設計 2.1 設計的基本原理 液面控制由于其應用及其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統(tǒng)， 譬如在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。它主要有以下幾個特點：

13、1. 時滯性很大。在大型、復雜的液位控制系統(tǒng)中當改變進出容器的液體流量來控 制液位時，控制效果在較長的時間后才可以體現(xiàn)，這會使得最后的穩(wěn)態(tài)誤差較 大，液位在期望值附近波動。 2. 時變性。液位控制一般是控制液體的流入量的大小來控制液位的，流出量是根 據(jù)后續(xù)工藝生產(chǎn)的需求而調(diào)節(jié)的，這種需求的數(shù)量和速度是不斷變化的。 3. 非線性。容器內(nèi)液體流出量不僅隨后續(xù)工藝生產(chǎn)需求變化，即使在控制閥門保 持不變的情況下，實際的流出量也隨著液位高度的變化而發(fā)生一種非線性的變 化。這幾個特點需要將智能控制方法引入到液位的控制系統(tǒng)中來。 2.2 設計的基本步驟 第一步：在采樣時刻，采樣系統(tǒng)的輸出值，然后根據(jù)所選擇的

14、系統(tǒng)的輸入變量來 進行計算，得到輸入變量的具體值。一般系統(tǒng)通常選擇誤差及誤差的變 化情況作為輸入變量。 第二步：將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?。當然，在這之前需要先確定模糊變量 的基本論域、模糊子集論域、模糊詞集及隸屬函數(shù)，系統(tǒng)中輸入變量的 實際變化范圍稱為變量的基本論域，對于模糊控制輸入所要求的變化范 圍稱為它們的模糊子集論域。模糊子集論域的確定和下一步的模糊推理 中需要的模糊值有關(guān)。模糊值可用模糊詞集來表示，人們對數(shù)值的模糊 表示一般可用大、中、小加以區(qū)別,再加上正負模糊詞集就可表示為： 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 公式 1隸屬函數(shù) 一般系統(tǒng)的輸入變量的模糊子集論域所含的元素個數(shù)

15、應為詞集總數(shù) 的兩倍以上,這樣才能確保模糊詞集能較好地覆蓋模糊子集論域，避免 出現(xiàn)失控現(xiàn)象。針對上面選用的模糊詞集，模糊子集論域可選擇為： -6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6 對于一個模糊控制系統(tǒng)，它的控制器輸入變量的實際范圍一般不會 正好和模糊子集論域一致，這時就需要進行轉(zhuǎn)化.假如基本論域為a，b， 模糊子集論域為m，n，則將一個精確輸入量 x 轉(zhuǎn)化到模糊子集論域中 的變量 y 是通過以下公式來實現(xiàn)的： y=(n-m)*x-(b-a)/2/(b-a) (1) 模糊子集論域和模糊詞集之間是通過隸屬函數(shù)來聯(lián)系的。模糊變量 的隸屬函數(shù)就和普通變量的特征函數(shù)一樣，但它的取

16、值范圍并不是單純 的 0 或 1，而是在0，1之間連續(xù)變化。隸屬函數(shù)的形狀常采用梯形、 三角形、鐘形、高斯形等。 在實際應用中，為方便起見，采用三角形的較多。這一步的工作可 以用下圖表示： 輸入變量精確值 模糊子集論域中的變量 輸入變量模糊值 第三步：根據(jù)上一步得到的輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成 規(guī)則計算控制量(模糊量)。模糊控制規(guī)則是根據(jù)操作者的經(jīng)驗或?qū)＜业?知識,用 if，then 描述的一組條件語句。 第四步：控制量的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。上一步雖然通過模糊推理得到了控制量， 但它是模糊形式的，而真正的執(zhí)行機構(gòu)不能接受模糊量，只能接受精確 量，所以必須把控制量由模糊形式

17、轉(zhuǎn)化為精確形式，這一步也叫做解模 糊化。 2.3.設計的基本內(nèi)容 2.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控 制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，目前廣泛采用的均為二維模糊控制 器。在此我們也選擇這一結(jié)構(gòu)形式。我們設計的是液位模糊控制器，就選擇液位 的誤差和誤差的變化作為模糊控制器的輸入變量，分別記作 e，ec。模糊控制器 的輸出應該是用來控制液位的，液位實際上就是受流入量和流出量的影響，而流 出量是根據(jù)后續(xù)工藝不停的變化，是不可控的。所以模糊控制器的輸出就只有一 個，作為控制流入量執(zhí)行機構(gòu)的控制量，記作 u。對

18、于模糊控制器的輸出，可以 有兩種形式，一種是絕對的控制量輸出，另一種是增量方式輸出。在本次設計的 模糊控制器中，我們選擇了絕對值輸出方式 . 2.3.2 模糊控制規(guī)則的設計模糊控制規(guī)則的設計 控制規(guī)則的設計一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義 各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規(guī)則。下面就分別來進行說明： 1.選擇描述輸入、輸出變量的詞集 對于液位誤差，誤差變化率及控制量我們選用相同的模糊詞集，都用自然語 言大、中、小來進行描述，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的 零狀態(tài)，共有七個詞匯，即： 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 為敘述方便，用英文字頭縮寫表

19、示為： n b，n m ，n s，z e，ps，pm，p b 其中，n=negative，p=positive，b=big，m=medium，s=small，ze=zero 。 2.定義各模糊變量的模糊子集 定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。對 于輸入變量誤差和誤差變化率，我們選用的模糊子集論域和隸屬函數(shù)曲線都完 全一致，所以在此就只針對誤差的模糊子集的確定來進行說明。 誤差的模糊子集論域取-6，6 之間，然后離散化，只取整數(shù)，所以它的模糊 子集論域可表示為： -6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6 其中有 13 個元素，而模糊詞集中有 7

20、個元素，基本滿足了二倍的關(guān)系，可以 保證不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 為了計算方便，將隸屬函數(shù)曲線都選為三角形形式，而且根據(jù)經(jīng)驗，在靠近 0 附近，三角形的形狀選的窄一些，這樣有利于提高靈敏度，抑制超調(diào)。在遠 離 0 的地方，三角形的形狀選的寬一些，因為這時候誤差還很大，不會引起超 調(diào)。至于三角形具體形狀及位置的有關(guān)參數(shù)，是根據(jù)經(jīng)驗初步確定的，在控制 器調(diào)試的時候還需要對這些進行反復的修改。根據(jù)隸屬函數(shù)可以得出模糊子集 元素對各模糊詞集的隸屬程度,具體如表 1 所示： -6-5-4-3-2-10123456 pb000000000000.51.0 pm0000000000.51.00.50 ps0000

21、0000.80.40000 ze000000.11.00.100000 ns00000.40.80000000 nm00.51.00.5000000000 nb1.00.500000000000 表 1 誤差的模糊變量的賦值表 對于模糊控制器的輸出量，雖然它是執(zhí)行機構(gòu)的控制量，但還需經(jīng)過 d/a 的轉(zhuǎn)換。因為計算機輸出的是數(shù)字量，而執(zhí)行機構(gòu)只能接受模擬量。在本次設 計中，我們用了 ad420 來實現(xiàn)這樣的功能，所以說模糊控制器的輸出實際上是 作為 ad420 的輸入。雖然 ad420 的輸入是 16 位的數(shù)字量，但在設計過程中， 我們先采用 8 位的方式來進行處理，所以它的范圍基于 can 總

22、線的液位模糊控 制系統(tǒng)的設計及研究是 0-ffh，這就是輸出量的模糊子集論域。模糊詞集也取 7 個，如下所示 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 即 n b，n m，n s，z e，p s，pm，p b 對于輸出量有關(guān)參數(shù)也是根據(jù)經(jīng)驗初步確定。 3.建立模糊控制器的控制規(guī)則 根據(jù)實際控制經(jīng)驗,建立如表 2 所示模糊控制規(guī)則： nbnmnszepspmpb nbnbnbnbnmnsnsze nmnbnbnmnsnszeps nsnbnmnsnszepsps zenmnsnszepspspm psnsnszepspspmpb pmnszepspspmpbpb pbzepspspmpbpbpb

23、表 2 模糊控制規(guī)則表 2.3.3 模糊推理及其模糊量的非模糊化方法模糊推理及其模糊量的非模糊化方法 模糊推理是從一些模糊前提條件推導出某一結(jié)論，目前模糊推理有十幾種方 法，大致分為直接法和間接法二大類。其中的 min-max 合成法屬于直接推理法， 應用的比較多，我們在此也應用這種推理方法。這種方法也叫做 mamdani 推理法， 其具體推理過程如下： 假如有輸入變量 e，e c 的值分別是 x，y ,對應的 n 條規(guī)則為: if e=a and ec=b then u=c 其中 ai、bi、ci、分別表示 e、ec、u 的某一個模糊詞集元素。則每個規(guī)則推出 的結(jié)果為： ( )( )( )(

24、 ) iiii zxyz cabc uuuu = 最終的推理出的輸出變量模糊集為 c，隸屬度表示如下： ( )( )( )( )( ) 123n c zxyzz cccc uuuuu = 對于解模糊化，采用重心法，具體計算公式如 2 所示： (2) ( ) ( ) 1 0 1 n iii i n i i u u uu z u = = = 由于在本次設計的液位模糊控制器中,在程序?qū)崿F(xiàn)時采用的是查表的方法,所 以在此根據(jù)公式 2 計算出模糊控制查詢表如表 3 所示 : -6-5-4-3-2-10123456 -6303030333445556a7271787b80 -5303030373b485e

25、6c71747a8084 -43030303b44506a6a7276808588 -333373b4e576470767b80898b8e -2343b4457606a707880848e8e8e -1454850646a727480888a959495 0555e6a707074808c909095a1aa 16a6c6a7678808c8d959cb2bec2 27271727b80889095a2aac2ceda 371747680848a909caab5cfd4da 4787a80898e9595b2c2cfe0e0e0 57880858b8e94a1beced4e0e0e0 680

26、84888e8e95aac2dadae0e0e0 表 3 模糊控制查詢表 2.4 模糊控制器的程序?qū)崿F(xiàn) 對于模糊控制算法的軟件實現(xiàn)，可以根據(jù)輸入變量和模糊控制規(guī)則進行實時計 算，也可以先離線計算好，然后在控制時直接查表來得到控制量。 對于 at89c51，它本身的中斷資源就比較少，為了節(jié)省這些資源，按鍵輸入 采用 i/o 口查詢的方式，中斷資源分配情況如下: at89c51 液面檢測 電路 水流檢測 電路工作指示保護 電路 水流控制電路 鍵盤 顯示接 口電路 外部中斷 0 int0 can 總線接收 定時器 0 t0 設置為 50ms 的定時器,用來產(chǎn)生程序中所需要的有關(guān) 時間及采樣周期 定時

27、器 1 t1 為串行口的通訊產(chǎn)生時鐘,控制波特率 串行口中斷 seri 應用于 rs232 的接受和發(fā)送 外部中斷 1 int1 備用 對于內(nèi)部 ram 的分配，將 60h7fh 之間的單元分配給堆棧使用，總共有 32 個單元，因為在中斷中要用到堆棧，而中斷是隨機的，所以這部分單元不能再 做它用。20h27h 共 8 個單元作為位標志區(qū)，存放程序中的一些狀態(tài)標志。剩 下的 29h59h 單元，除個別單元固定分配給少許的全局變量外，大多數(shù)進行動 態(tài)的分配，這樣可提高其利用效率。 檢測電路 處理器芯片 i/o 接口 外圍電路 a/d 轉(zhuǎn)換 傳感器 a/d 轉(zhuǎn)換 傳感器 圖 ：硬件設計連接圖 2.5

28、 程序編寫中的幾點說明 a. 在程序的起始部分,加了一個大約 100ms 的延時是因為單片機系統(tǒng)的一些外圍 芯片在上電時有一個上電復位過程,如果這些芯片復位還未完全結(jié)束時就對其進 行操作會得到錯誤的結(jié)果. b.我們采用的單片機 at89c51 是 8 位機,所以在制做模糊控制查詢表時其 中 的 輸出值也為 8 位.但數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件 ad420 是 16 位的,在編程中將 查 表得到的 y n 計數(shù)器+1 保護參數(shù) 采樣周期到？ 恢復現(xiàn)場有關(guān)參數(shù) 查詢模糊控制 表輸 出控制量 中斷返回 將輸入值轉(zhuǎn)換到模糊 子集論域 讀取液位實際值計算 誤差及變化率 計數(shù)器清零 值作為高 8 位,低 8 位按 0

29、 進行輸出 . c. 為了使系統(tǒng)開機工作時能保持和上次關(guān)機前相 同的工作狀態(tài),就需要將有關(guān)的 參數(shù)存儲起來,譬如液位的設定值等,這里選用的存儲芯片是 at24c01. d.為了防止對液位值進行采樣時受干擾而得到不正確的值,采取了連續(xù)采樣 10 次, 剔除最大最小值,然后進行平均的方法 . 3.程序流程圖 在主程序中主要完成有關(guān)的初始化操作，按鍵掃描和顯示刷新，程序流程圖 見圖 4 實現(xiàn)控制功能是通過 t0 中斷計時，累計達到 3 秒時在中斷程序中實現(xiàn)的， 程序流程圖見圖 5。 圖 4 主程序流程圖 開 始 相應的初始化操作 讀取上次的有關(guān)數(shù)據(jù) 開 中 斷 掃 描 鍵 盤 刷新顯示 延 時 圖 5 t0 中斷服務流程圖 4.液位控制部分 4.1 液位測試部分 容器上的 wmy 型液位變送器的輸出為 4-20ma 模擬信號，首先嬰將傳感器測得 的液位模擬量變?yōu)閿?shù)字量。然厲送入單片機進行相應的處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換的部分采 用 adc0809 芯片。該芯片的輸入量為 0-5v 的電抓量。岡此需先將液位變送器的輸 出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。即在芯片采集信號端加入一個 250 歐的轉(zhuǎn)換電阻， 將電流轉(zhuǎn)換為 1-5v 的電壓值。該電壓值在 adc0809 的輸入范